Усилители напряжения, тока и мощности. Расчет параметров усилителей.

04.10.2013 18:35

Часть I. Усилитель напряжения. Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

    Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

    В этой схеме резистор Rк, включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

    Цепь RэСэ выполняет  функцию  эмиттерной  термостабилизации  точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

    При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1, C2 на разных частотах различно. 

    Зависимость    коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

    Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ).     

    Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. 

    Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

    Отрицательная обратная связь в цепи эмиттера стабилизирует работу цепи, уменьшает искажения сигнала, вызванные нелинейностью характеристик усилителя. Повышается стабильность коэффициента усиления, расширяется диапазон рабочих частот. Кроме того, использование ООС приводит к изменению входного и выходного сопротивлений усилителя.

    Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения. 

    В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

    Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2).

    Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока Iк, вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для     достижения     наилучшей     температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление Rэ. Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

 

Часть II. Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

    Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

 
    Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:
 
  • коэффициент усиления  по  напряжению  стремится к бесконечности;
  • входное  сопротивление стремится  к  бесконечности;
  • выходное сопротивление стремится к нулю;
  • если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;
  • бесконечная полоса усиливаемых частот.
 
    ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ. 
 
    На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен: 
 
- для инвертирующего Киоу = Rос / R1
- для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1
 
 
    Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу  и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.
    К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему дрейфу нуля и по высокому входному сопротивлению. 

    Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэо. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс. Абсолютным дрейфом нуля Uвых, называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: 

 

едр=Uвых / Ku

 

    Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и эквивалентен ложному входному сигналу.

 

    Способы уменьшения дрейфа нуля:

  • Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура.
  • Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима.
  • Использование ООС.
  • Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.
 
    Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров  (истоков) подключен ГСТ ( генератор стабильного тока ), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку ( в этом случае Jвхоу стремится к нулю ).

    Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

    История операционного усилителя связана с тем, что  усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.
 
 

Часть III. Усилители мощности.

    Усилители мощности - это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра - КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.
    КПД оценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагрузке) к затраченной (потребляемой от источника).
    Основная задача, которую ставит перед собой разработчик усилителей мощности: обеспечить необходимую мощность и передать её в нагрузку с минимальными искаженями. Поэтому, в какой-то степени, усилитель мощности - это пример силовой электроники.
    Но реальный усилитель мощности, в первую очередь, это устройство информативной электроники. В таких устройствах основная задача - снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства ещё приемлема. И лишь во вторую очередь - устройство, которое содержит элементы и силовой электроники (в этих устройствах такую первоочередную задачу ставить нельзя). При проектировании схем усилителей мощности следует помнить об этом различии. 
    К величине коэффициента усиления по напряжению особых требований нет: как правило, он чуть больше единицы. Усиление мощности происходит за счёт усиления по току.
    В выходных усилителях мощности должны использоваться каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые в схему цепи ООС должны быть только по напряжению. По этой причине схемы усилителей мощности строятся по двухтактным схемам. Такие схемы дают хороший выигрыш и по мощности.
    Такие усилители находят большее применение, чем с трансформаторным выходом: там, где трансформатор на первое место выходит проблема габаритов и веса устройства в целом.
    Что же представляет из себя усилитель мощности (далее, для краткости будем называть его УМ)? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:
  • Входной каскад
  • Промежуточный каскад
  • Выходной каскад (усилитель мощности)
 
    Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением. Например: динамическую головку или наушники. 
 
Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ. 
 

1. Трансформаторные усилители мощности.

    Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ, в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

    Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

    Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

    Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

    Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

    Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя - усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p-типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности. 

    Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1, работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ. 

    Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E. Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением 

    Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

 

    Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ: nmax =  P н.max /  P потр.max = 0,78.

Назад